1.1.4 计算机的发展

自古以来，人类就在不断地发明和改进计算工具，从古老的“结绳计算”、算盘，到计算尺、手摇计算机，直到1946年第一台电子计算机诞生，经历了漫长的岁月（见图1-6）。计算机科学与技术已成为目前发展最快的学科之一，尤其是微型计算机的出现和计算机网络的发展，使计算机的应用渗透到社会的各个领域，有力地推动了信息社会的发展。多年来，人们以计算机物理器件的变革作为标志，把电子计算机的发展划分为5代。

图1-6 计算工具发展时间轴

电子计算机发展中的“代”通常以其使用的主要器件（如电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路）来划分。此外，在电子计算机发展的各个阶段，所配置的软件和使用方式也有不同的特点，成为划分“代”的标志之一。

第一代（1946—1958年）是电子管计算机，计算机使用的主要逻辑器件是电子管，用穿孔卡片机作为数据和指令的输入设备，用磁鼓或磁带作为外存储器，使用机器语言编程。虽然第一代计算机的体积大、速度慢、能耗高、使用不便且经常发生故障，但是它从一开始就显示了强大的生命力。这个时期的计算机主要用于科学计算，特别是用于军事和科学研究方面的工作。其代表机型有ENIAC、IBM 650（小型机）、IBM 709（大型机）等。

第二代（1959—1964年）是晶体管计算机，这个时期的计算机用晶体管代替了电子管，内存储器采用了磁心体，引入了变址寄存器和浮点运算硬件，利用I/O处理器提高了输出能力，在软件方面配置了子程序库和批处理管理程序，并且推出了FORTRAN、COBOL、ALGOL等高级程序设计语言及相应的编译程序。

这个时期计算机的应用扩展到数据处理、自动控制等方面。计算机的运行速度已提高到每秒几十万次，体积已大大减小，可靠性和内存容量也有较大的提高。这个时期的代表机型有IBM7090、IBM7094、控制数据公司（Control Data Corporation，CDC）7600等。

第三代（1965—1970年）是集成电路（Integrated Circuit，IC）计算机，所谓集成电路是将大量的晶体管和电子线路组合在一块硅晶片上，故又称其为芯片。小规模集成电路每个芯片上的元件数为100以下，中规模集成电路每个芯片上则可以集成100～10000个元件。

这个时期的计算机用中小规模集成电路代替了分立元件，用半导体存储器代替了磁芯存储器，外存储器使用磁盘。在软件方面，操作系统进一步完善，高级语言数量增多，出现了并行处理、多处理器、虚拟存储系统以及面向用户的应用软件。计算机的运行速度也提高到每秒几百万次，可靠性和存储容量进一步提高，外部设备种类繁多。计算机和通信密切结合起来，广泛地应用到科学计算、数据处理、事务管理、工业控制等领域。这个时期的代表机型有IBM360系列、富士通F230系列、DEC的PDP-X系列等。

第四代（1971年以后）是大规模和超大规模集成电路计算机。这个时期计算机的主要逻辑元件是大规模和超大规模集成电路，一般称这一时期为大规模集成电路时代。大规模集成电路（Large Scale Integration，LSI）每个芯片上可以集成10000个以上的元件。这一时期的计算机采用半导体存储器，具有大容量的软、硬磁盘，并开始引入光盘。在软件方面，操作系统不断发展和完善，同时还出现了数据库管理系统、通信软件等。

在第四代计算机中，微型计算机最为引人注目。微型计算机的诞生是超大规模集成电路应用的结果。现在的微型计算机体积越来越小，性能越来越强，可靠性越来越高，价格越来越低，应用范围越来越广。

目前新一代（第五代）计算机正处在设想和研制阶段。新一代计算机是把信息采集、存储处理、通信和人工智能结合在一起的计算机系统。也就是说，新一代计算机将从以处理数据信息为主，转向以处理知识信息为主，如获取、表达、存储及应用知识等，并具备推理、联想和学习（如理解能力、适应能力、思维能力等）等人工智能方面的能力，能帮助人类开拓未知的领域和获取新的知识。

这里必须要提到“摩尔定律”。摩尔定律是由英特尔（Intel）公司创始人之一戈登·摩尔（Gordon Moore）提出来的，其内容为：当价格不变时，集成电路上可容纳的元器件的数目，每隔18～24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。换言之，每一美元所能买到的计算机性能，将每隔18～24个月翻一番。这一定律揭示了信息技术进步的速度。这种趋势已经持续了半个世纪以上的时间，然而，国际半导体技术发展路线图的更新增长在2013年年底已经放缓，之后的时间里，晶体管数量密度预计只会每3年翻一番。

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